JP2013535986A - Nucleic acid capture and sequencing - Google Patents

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Abstract

標的核酸分子を捕捉し配列決定する方法が提供される。ゲノムDNAのメチル化状態の決定法も提供される。  A method for capturing and sequencing a target nucleic acid molecule is provided. A method for determining the methylation status of genomic DNA is also provided.

Description

(関連出願)
本出願は、2010年8月27日に出願された米国特許仮出願第61/402,350号に対し米国特許法第119条(e)に基づく優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
(Related application)
This application claims priority under 35 USC 119 (e) to US Provisional Patent Application No. 61 / 402,350 filed on August 27, 2010, the contents of which are hereby incorporated by reference. Incorporated in the description.

(発明の分野)
本発明は、核酸の混合物から標的核酸分子を分離し、このような分子の配列を決定することに関する。
(Field of Invention)
The present invention relates to separating target nucleic acid molecules from a mixture of nucleic acids and determining the sequence of such molecules.

ヒトゲノムの全解読完了以降、ゲノム研究は「再配列決定」に方向転換しており、例えば疾患関連変異などの異形がゲノム全体にわたり同定される。対象となる例えばエキソンなどの特定領域を濃縮された「区分けされた」ゲノムの再配列決定は、それらの領域の「捕捉」と配列決定に関する複数の工程が必要である。例えば、あるマイクロアレイ法では、ゲノムDNAは剪断されて特定の範囲の大きさの断片にされ、断片は末端修復され特定のアダプターにライゲートされて増幅され、次いで増幅断片は、対象となるリファレンスゲノム配列の相補的プローブを含むマイクロアレイを使用して捕捉され、捕捉(ハイブリダイズ)された断片は溶出されて増幅され、増幅断片は、例えば「次世代」配列決定技術または再配列決定アレイなどを使用して配列決定される。例えば、国際公開第2008/115185号、Okouら(2007)のNature Methods 4:907-909、Hodgesら(2007)のNature Genetics 39:1522-1527などを参照されたい。対象となる核酸の分離および配列決定に要する工程が減少すれば、効率や確度が向上し、潜在的にコスト削減にもなろう。本発明は、この必要性を満たし、他の利点をもたらす。   Since the complete decoding of the human genome has been completed, genomic research has turned to “re-sequencing”, where variants such as disease-related mutations are identified throughout the genome. Re-sequencing of “segmented” genomes enriched for specific regions of interest, such as exons, requires multiple steps for “capturing” and sequencing those regions. For example, in one microarray method, genomic DNA is sheared into a specific range of size fragments, the fragments are end-repaired, ligated to specific adapters and amplified, and the amplified fragment is then subjected to a reference genomic sequence of interest. Using a microarray containing complementary probes, the captured (hybridized) fragments are eluted and amplified, and the amplified fragments are used, for example, using “next generation” sequencing techniques or resequencing arrays. Sequenced. See, for example, WO 2008/115185, Okou et al. (2007) Nature Methods 4: 907-909, Hodges et al. (2007) Nature Genetics 39: 1522-1527, and the like. If the steps required to isolate and sequence the nucleic acid of interest are reduced, efficiency and accuracy will increase, potentially reducing costs. The present invention fulfills this need and provides other advantages.

シトシンのメチル化は一般にゲノムのCpGジヌクレオチドで生じ、遺伝子制御やエピジェネティック遺伝で重要な役割を果たす。ゲノム領域のメチル化状態を決定する特定の既存法では、亜硫酸水素塩(bisulfite)処理を使用する。これらの方法では、変性ゲノムDNAを亜硫酸水素イオンに曝露すると、シトシンは脱アミノ化してウラシルになるが、メチル化シトシンはこの変換から保護される。変換現象の有無は、例えば次世代配列決定法によって、またはプローブアレイを使用して検出されうる。例えば国際公開第2010/085343号を参照されたい。このような方法はしばしば複数の工程、例えば、増幅、捕捉、溶出および亜硫酸水素塩処理を施したDNAの配列決定という工程をとるか、あるいは対象となるゲノム領域すべてにおいて変換現象の有無を調査するためのプローブを設計する必要があるが、コストもかかり煩雑になりうる。さらに、このような方法では個々のDNA分子レベルでのメチル化状態を評価するのではなく、対象となる特定のゲノム領域に対する核酸分子群を調査する。本発明はゲノムDNAのメチル化状態を評価する効率と確度の高い方法を提供し、当分野における必要性を満たし、他の利益をもたらす。   Cytosine methylation generally occurs at genomic CpG dinucleotides and plays an important role in gene regulation and epigenetic inheritance. Certain existing methods for determining the methylation status of genomic regions use bisulfite treatment. In these methods, when denatured genomic DNA is exposed to bisulfite ions, cytosine is deaminated to uracil, while methylated cytosine is protected from this conversion. The presence or absence of a conversion phenomenon can be detected, for example, by next generation sequencing or using a probe array. See e.g. WO 2010/085343. Such methods often take multiple steps, such as amplification, capture, elution, and sequencing of bisulfite-treated DNA, or investigate the presence of conversion events in all targeted genomic regions. It is necessary to design a probe for this purpose, but it may be expensive and complicated. Further, in such a method, the methylation state at the individual DNA molecule level is not evaluated, but a group of nucleic acid molecules for a specific genomic region of interest is investigated. The present invention provides an efficient and accurate method for assessing the methylation status of genomic DNA, meeting the needs in the art and providing other benefits.

一態様では、標的核酸分子を捕捉し配列決定する方法が提供され、この方法は、(a)個体支持体をハイブリダイズ条件下で標的核酸分子を含む核酸混合物に曝露し、ここで標的核酸分子は、プライミング能力のある構造で個体支持体に固定されたプライマーと特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成し、(b)個体支持体から非結合核酸および非特異的結合核酸を分離し、(c)個体支持体を重合条件下でポリメラーゼおよびヌクレオチドに曝露し、(d)標的核酸分子を鋳型として使用するポリメラーゼによる固定されたプライマーからの核酸重合を検出することにより、標的核酸分子の核酸配列を決定することを含む。   In one aspect, a method for capturing and sequencing a target nucleic acid molecule is provided, the method comprising: (a) exposing an individual support to a nucleic acid mixture comprising the target nucleic acid molecule under hybridizing conditions, wherein the target nucleic acid molecule Forming a specific hybridization complex with a primer immobilized on an individual support in a structure capable of priming, (b) separating unbound and nonspecifically bound nucleic acids from the individual support; (c) Determine the nucleic acid sequence of the target nucleic acid molecule by exposing the solid support to polymerase and nucleotides under polymerization conditions and (d) detecting nucleic acid polymerization from immobilized primers by the polymerase using the target nucleic acid molecule as a template. Including doing.

一実施態様では、標的核酸分子はゲノムDNA領域に由来する。このような一実施態様では、標的核酸分子はエキソンをすべてまたは部分的に含む。別の実施態様では、標的核酸分子はRNAであり、ポリメラーゼは逆転写酵素であり、プライマーは3’ポリ-T配列を含む。別の実施態様では、標的核酸分子はDNAであり、ポリメラーゼはDNAポリメラーゼである。別の実施態様では、ヌクレオチドは末端のリン酸に標識されている。このような一実施態様では、ポリメラーゼは、FRETドナーで標識されており、ヌクレオチドはFRETアクセプターで標識されている。このような一実施態様では、FRETドナーは蛍光ナノ粒子である。   In one embodiment, the target nucleic acid molecule is derived from a genomic DNA region. In one such embodiment, the target nucleic acid molecule includes all or part of exons. In another embodiment, the target nucleic acid molecule is RNA, the polymerase is reverse transcriptase, and the primer comprises a 3 'poly-T sequence. In another embodiment, the target nucleic acid molecule is DNA and the polymerase is a DNA polymerase. In another embodiment, the nucleotide is labeled on the terminal phosphate. In one such embodiment, the polymerase is labeled with a FRET donor and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor. In one such embodiment, the FRET donor is a fluorescent nanoparticle.

別の態様では、ゲノムDNA断片のメチル化状態を決定する方法が提供され、この方法は、(a)ゲノムDNAを個体支持体に固定し、(b)固定されたゲノムDNA断片を鋳型として使用するポリメラーゼによる核酸重合を検出することにより、個体支持体に固定されたDNA断片の核酸配列を決定し、(c)固定されたゲノムDNA断片を亜硫酸水素塩処理に供し、(d)固定された亜硫酸水素塩処理を施されたゲノムDNA断片を鋳型として使用するポリメラーゼによる核酸重合を検出することにより、個体支持体に固定された亜硫酸水素塩処理を施されたゲノムDNA断片の核酸配列を決定し、(e)(b)で決定された核酸配列を(d)で決定された配列と比較することを含み、ここでゲノムDNA断片のシトシン残基の変換は、亜硫酸水素塩処理前にゲノムDNA断片の当該残基がメチル化されていなかったことを示し、ゲノムDNA断片のシトシン残基が変換されないことは、亜硫酸水素塩処理前にゲノムDNA断片の当該残基がメチル化されていたことを示す。   In another aspect, a method for determining the methylation status of a genomic DNA fragment is provided, the method comprising (a) fixing the genomic DNA to an individual support and (b) using the fixed genomic DNA fragment as a template. By detecting the nucleic acid polymerization by the polymerase to determine the nucleic acid sequence of the DNA fragment immobilized on the solid support, (c) subjecting the immobilized genomic DNA fragment to bisulfite treatment, and (d) the immobilized By detecting nucleic acid polymerization by polymerase using a bisulfite-treated genomic DNA fragment as a template, the nucleic acid sequence of the bisulfite-treated genomic DNA fragment immobilized on an individual support is determined. , (E) comparing the nucleic acid sequence determined in (b) with the sequence determined in (d), wherein the conversion of cytosine residues of the genomic DNA fragment comprises This indicates that the residue of the genomic DNA fragment was not methylated before bisulfate treatment, and that the cytosine residue of the genomic DNA fragment was not converted indicates that the residue of the genomic DNA fragment before bisulfite treatment Indicates that was methylated.

一実施態様では、ゲノムDNA断片は個体支持体にアダプターによって固定される。このような一実施態様では、アダプターはプライマー結合部位を含み、プライマー結合部位中のシトシンは保護される。このような一実施態様では、(b)および/または(d)のポリメラーゼは、プライマー結合部位にアニールされたプライマーからの核酸鎖を重合する。別の実施態様では、(b)および/または(d)の核酸重合は、標識ヌクレオチドの取り込みを検出することにより検出される。このような一実施態様では、標識ヌクレオチドはその末端のリン酸に標識される。このような一実施態様では、(b)および/または(d)のポリメラーゼは、FRETドナーで標識され、ヌクレオチドはFRETアクセプターで標識される。このような一実施態様では、FRETドナーは蛍光ナノ粒子である。   In one embodiment, the genomic DNA fragment is fixed to the individual support by an adapter. In one such embodiment, the adapter includes a primer binding site and cytosine in the primer binding site is protected. In one such embodiment, the polymerase of (b) and / or (d) polymerizes the nucleic acid strand from the primer annealed to the primer binding site. In another embodiment, the nucleic acid polymerization of (b) and / or (d) is detected by detecting the incorporation of labeled nucleotides. In one such embodiment, the labeled nucleotide is labeled on its terminal phosphate. In one such embodiment, the polymerase of (b) and / or (d) is labeled with a FRET donor and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor. In one such embodiment, the FRET donor is a fluorescent nanoparticle.

図1は、相補的オリゴヌクレオチドを使用しての、オリゴヌクレオチドアレイ上の剪断されたDNA選択領域の直接的捕捉と、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする、DNAの捕捉に使用されるオリゴヌクレオチドの自由3’末端ならびに標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用しての、捕捉されたDNAの直接的配列決定を示す図である。FIG. 1 shows the direct capture of sheared DNA selection regions on an oligonucleotide array using complementary oligonucleotides and direct addition of bases (sequences) and polymerase during real-time DNA synthesis. FIG. 5 shows direct sequencing of captured DNA using a free 3 ′ end of an oligonucleotide used for DNA capture and labeled polymerase and labeled dNTPs allowing monitoring. 図2は、相補的オリゴヌクレオチドで被覆したビーズを使用しての、剪断されたDNA選択領域の直接的捕捉と、その後のビーズ配置と、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする、DNAの捕捉に使用されるオリゴヌクレオチドの自由3’末端ならびに標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用しての捕捉されたDNA配列決定を示す図である。FIG. 2 shows the direct capture of sheared DNA selection regions using beads coated with complementary oligonucleotides, subsequent bead placement, and added bases (sequences) during real-time DNA synthesis. Figure 2 shows the free 3 'end of an oligonucleotide used for DNA capture and captured DNA sequencing using labeled polymerase and labeled dNTP, allowing direct monitoring of the polymerase. 図3は、ポリ-dTオリゴヌクレオチドアレイ上のRNAの直接的捕捉と、捕捉されたRNAをポリ-dTオリゴヌクレオチドアレイの自由3’末端と逆転写酵素を使用してcDNAに変換することにより、捕捉されたRNAの配列を決定する図である。cDNA変換の後、cDNAは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする、ポリ-Aプライマーならびに標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して配列を決定される。あるいは、捕捉されたRNAは、その配列を得るため、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)と逆転写酵素の直接的モニタリングを可能にする、標識逆転写酵素および標識dNTPを使用して直接的に配列決定されうる。FIG. 3 shows the direct capture of RNA on a poly-dT oligonucleotide array and conversion of the captured RNA into cDNA using the free 3 ′ end of the poly-dT oligonucleotide array and reverse transcriptase. It is a figure which determines the arrangement | sequence of the capture | acquired RNA. After cDNA conversion, the cDNA is sequenced using poly-A primers and labeled polymerase and labeled dNTP, allowing direct monitoring of added base (sequence) and polymerase during real-time DNA synthesis. Is done. Alternatively, the captured RNA uses labeled reverse transcriptase and labeled dNTP to allow direct monitoring of the added base (sequence) and reverse transcriptase during real-time DNA synthesis to obtain its sequence. And can be sequenced directly. 図4は、ビーズに固定されたポリ-dTオリゴヌクレオチドを使用してのRNAの直接的捕捉を示す図であり、ビーズを表面に配置し、次いで捕捉したRNAをポリ-dTオリゴヌクレオチドの自由3’末端と逆転写酵素を使用してcDNAに変換する。cDNA変換の後、cDNAは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする、ポリ-Aプライマーならびに標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して配列を決定される。あるいは、捕捉されたRNAは、その配列を得るため、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)と逆転写酵素の直接的モニタリングを可能にする、標識逆転写酵素および標識dNTPを使用して直接的に配列決定されうる。FIG. 4 shows the direct capture of RNA using poly-dT oligonucleotides immobilized on beads, where the beads are placed on the surface and the captured RNA is then freed from the poly-dT oligonucleotide 3 'Convert to cDNA using end and reverse transcriptase. After cDNA conversion, the cDNA is sequenced using poly-A primers and labeled polymerase and labeled dNTP, allowing direct monitoring of added base (sequence) and polymerase during real-time DNA synthesis. Is done. Alternatively, the captured RNA uses labeled reverse transcriptase and labeled dNTP to allow direct monitoring of the added base (sequence) and reverse transcriptase during real-time DNA synthesis to obtain its sequence. And can be sequenced directly. 図5は、2巡目の配列決定が、メチル化シトシンのウラシル変換を可能にする亜硫酸水素塩処理後に行われる、連続的な反応におけるアレイ上の同一DNA分子配列決定により、核酸メチル化状態を決定する図である。適切なプライマー、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする。FIG. 5 shows the nucleic acid methylation status by sequencing the same DNA molecule on the array in a continuous reaction, where the second round of sequencing is performed after bisulfite treatment allowing uracil conversion of methylated cytosine. It is a figure to determine. Appropriate primers, labeled polymerase and labeled dNTP allow direct monitoring of the added base (sequence) and polymerase during real-time DNA synthesis. 図6は、2巡目の配列決定が、メチル化シトシンのウラシル変換を可能にする亜硫酸水素塩処理後に行われる、連続的な反応におけるビーズ上の同一DNA分子配列決定により、核酸メチル化状態を決定する図である。適切なプライマー、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基(配列)とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にする。FIG. 6 shows the nucleic acid methylation status by sequencing the same DNA molecule on the beads in a continuous reaction, where the second round sequencing is performed after bisulfite treatment allowing uracil conversion of methylated cytosine. It is a figure to determine. Appropriate primers, labeled polymerase and labeled dNTP allow direct monitoring of the added base (sequence) and polymerase during real-time DNA synthesis.

(I 定義)
「亜硫酸水素塩処理」は、核酸を亜硫酸水素イオン(例えば亜硫酸水素マグネシウムや亜硫酸水素ナトリウム)に未保護シトシンのウラシル変換に十分な濃度で曝露することを指す。「亜硫酸水素塩処理」はまた、核酸を、未保護シトシンをウラシルに変換するのに使用されうる他の試薬、例えば二亜硫酸塩および重亜硫酸塩などに適切な濃度で曝露することを指す。「亜硫酸水素塩処理」は一般に、核酸を亜硫酸水素イオンまたは他の試薬に曝露した後、例えばNaOHなどの塩基に曝露することを含む。
(I definition)
“Bisulfite treatment” refers to exposing a nucleic acid to bisulfite ions (eg, magnesium bisulfite or sodium bisulfite) at a concentration sufficient for uracil conversion of unprotected cytosine. “Bisulfite treatment” also refers to exposing the nucleic acid at an appropriate concentration to other reagents that may be used to convert unprotected cytosine to uracil, such as disulfite and bisulfite. “Bisulfite treatment” generally involves exposing a nucleic acid to a bisulfite ion or other reagent followed by a base such as NaOH.

「シトシン残基の変換」は、亜硫酸水素塩処理の結果としてシトシン残基がウラシル残基に変換することを指す。   “Conversion of cytosine residues” refers to the conversion of cytosine residues to uracil residues as a result of bisulfite treatment.

「エキソン」は、ゲノムのコード領域を指す。 “Exon” refers to a coding region of a genome.

「ハイブリダイズ条件」は、相補的核酸鎖のハイブリダイゼーションを許容する条件を指す。 “Hybridization conditions” refers to conditions that allow hybridization of complementary nucleic acid strands.

「核酸配列決定」は、標的核酸分子の少なくとも1個のヌクレオチドのアイデンティティを決定することを指し、いくつかの実施態様では、標的核酸分子の複数のヌクレオチドのアイデンティティを決定することを指す。   “Nucleic acid sequencing” refers to determining the identity of at least one nucleotide of a target nucleic acid molecule, and in some embodiments, determining the identity of multiple nucleotides of a target nucleic acid molecule.

「固定された」および「固定する」は、相補的塩基対形成以外の方法により、直接的または間接的に、核酸を個体支持体に付着させることを指す。特異的ハイブリダイゼーション複合体は、ある特異的ハイブリダイゼーション複合体の核酸の二本鎖のうち少なくとも一方が個体支持体に固定されていれば、上述のように個体支持体に固定されているとみなされる。   “Immobilized” and “immobilize” refer to attaching nucleic acids to an individual support, directly or indirectly, by methods other than complementary base pairing. A specific hybridization complex is considered to be immobilized on an individual support as described above if at least one of the nucleic acid duplexes of a specific hybridization complex is immobilized on the individual support. It is.

「標識」は、直接的または間接的に検出されうる任意の部分を指す。   “Label” refers to any moiety that can be detected directly or indirectly.

「核酸」は、任意長のヌクレオチドのポリマーを指す。   “Nucleic acid” refers to a polymer of nucleotides of any length.

「ヌクレオチド」は、伸長する核酸鎖にポリメラーゼによって取り込まれることができるヌクレオチドおよびそのアナログを指す。ヌクレオチドは、限定ではないが、一般にDNAに取り込まれる4種類のヌクレオチド(アデニン、グアニン、シトシンおよびチミン)、一般にRNAに取り込まれる4種類のヌクレオチド(アデニン、グアニン、シトシンおよびウラシル)、イノシン酸などの修飾塩基を有するヌクレオチドおよび標識されるかまたはそれ以外の修飾されたヌクレオチドを含む。   “Nucleotide” refers to nucleotides and analogs thereof that can be incorporated into a growing nucleic acid strand by a polymerase. Nucleotides include, but are not limited to, four types of nucleotides generally incorporated into DNA (adenine, guanine, cytosine and thymine), four types of nucleotides generally incorporated into RNA (adenine, guanine, cytosine and uracil), inosinic acid, etc. Includes nucleotides with modified bases and labeled or otherwise modified nucleotides.

「ポリメラーゼ」は、重合条件下で伸長する核酸鎖にヌクレオチドを取り込むことができる、天然のまたは天然ではない酵素またはその酵素的活性断片を指し、限定ではないが、DNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼおよび逆転写酵素を含む。   "Polymerase" refers to a natural or non-natural enzyme or enzymatically active fragment thereof that can incorporate nucleotides into a nucleic acid strand that extends under polymerization conditions, including but not limited to DNA polymerase, RNA polymerase, and reverse transcription. Contains enzymes.

「重合条件」は、ポリメラーゼがヌクレオチドを核酸鎖に取り込むことを許容する条件を指す。   “Polymerization conditions” refers to conditions that allow a polymerase to incorporate nucleotides into a nucleic acid strand.

「プライマー」は、ポリメラーゼによりヌクレオチドが付加されうる核酸を指す。「付加される」は、ヌクレオチドがポリメラーゼによりプライマーに直接付加されることと、次いでヌクレオチドがプライマー由来の伸長する核酸鎖に付加されることを指す。   “Primer” refers to a nucleic acid to which nucleotides can be added by a polymerase. “Additional” refers to the addition of nucleotides directly to a primer by a polymerase, and then the addition of nucleotides to the extending nucleic acid strand from the primer.

「プライミング能力のある(priming-competent)構造」は、プライマーが、ポリメラーゼがヌクレオチド付加に利用できる反応基を有することを指す。   “Priming-competent structure” refers to the primer having a reactive group that the polymerase can utilize for nucleotide addition.

「個体支持体」は、任意の個体支持体を指す。   “Individual support” refers to any individual support.

「特異的ハイブリダイゼーション複合体」は、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下でおよび/またはストリンジェントな洗浄条件下で形成可能かまたは実質的に維持される特異的ハイブリダイゼーション複合体を指す。   A “specific hybridization complex” refers to a specific hybridization complex that can be formed or substantially maintained under stringent hybridization conditions and / or stringent wash conditions.

「標的核酸分子」は、対象となる任意の標的核酸分子を指す。   “Target nucleic acid molecule” refers to any target nucleic acid molecule of interest.

「鋳型」は、ポリメラーゼが相補的核酸鎖を合成するのに使用できる、一本鎖の核酸か、または二本鎖の核酸の変性された領域を指す。   “Template” refers to a denatured region of a single-stranded or double-stranded nucleic acid that can be used by a polymerase to synthesize a complementary nucleic acid strand.

(II 標的核酸分子の捕捉および配列決定)
一実施態様では、本発明は、個体支持体に固定された、例えばプライマーなどの相補的核酸を使用して、標的核酸分子を捕捉する方法に関する。ある実施態様では、次いで、標的核酸分子を鋳型として使用するポリメラーゼによるプライマーからの核酸重合を検出することにより、標的核酸分子の核酸配列が決定される。検出は、単分子レベルで発生し、リアルタイムまたはほぼリアルタイムである。
(II. Capture and sequencing of target nucleic acid molecule)
In one embodiment, the invention relates to a method of capturing a target nucleic acid molecule using a complementary nucleic acid, such as a primer, immobilized on an individual support. In certain embodiments, the nucleic acid sequence of the target nucleic acid molecule is then determined by detecting nucleic acid polymerization from a primer by a polymerase using the target nucleic acid molecule as a template. Detection occurs at the single molecule level and is in real time or near real time.

(標的核酸分子)
様々な実施態様では、標的核酸分子はDNAである。一実施態様では、標的核酸分子は、ヒトゲノムまたは他の任意の生物のゲノムなどのゲノムの任意の領域(「標的領域」)に相当しうる。標的領域は、1つまたは複数の複数メガベースの連続するブロック、1つまたは複数の染色体の全エキソンなどの複数のより小さい連続する領域または非連続の領域、またはSNPを含むことがわかっている部位などでありうる。標的領域を含むゲノムは部分的であっても完全であってもよい。ゲノムは、患者試料またはプールされた患者試料、セルラインまたはセル培地、生検材料、正常な組織試料または腫瘍や他の疾患の組織および当業者が認めうる他の生物学的供給源などの任意の生物学的供給源に由来しうる。一実施態様では、標的核酸を含むゲノムDNAは、例えば超音波処理または水力学的力により剪断され、一般に約200〜600塩基対の断片にされ、標的核酸分子はこれらの断片またはその分画部分から捕捉される。別の実施態様では、標的核酸分子は、コード配列または非コード配列でありうる。このような一実施態様では、標的核酸分子はエキソンであるか、またはその一部分である。
(Target nucleic acid molecule)
In various embodiments, the target nucleic acid molecule is DNA. In one embodiment, the target nucleic acid molecule may correspond to any region of the genome (“target region”), such as the human genome or the genome of any other organism. A target region is known to contain one or more multi-megabase contiguous blocks, multiple smaller contiguous or non-contiguous regions, such as full exons of one or more chromosomes, or SNPs And so on. The genome containing the target region may be partial or complete. The genome can be any patient sample or pooled patient sample, cell line or cell culture medium, biopsy material, normal tissue sample or tumor or other diseased tissue and other biological sources recognized by those skilled in the art. From any biological source. In one embodiment, the genomic DNA containing the target nucleic acid is sheared, eg, by sonication or hydrodynamic forces, into generally about 200-600 base pair fragments, and the target nucleic acid molecule is a fragment or fraction thereof. Captured from. In another embodiment, the target nucleic acid molecule can be a coding sequence or a non-coding sequence. In one such embodiment, the target nucleic acid molecule is an exon or a part thereof.

様々な実施態様では、標的核酸分子はRNAである。一実施態様では、標的核酸分子は、mRNA転写物であるか、またはその一部分である。このような一実施態様では、標的核酸分子は、mRNA転写物であるか、またはそのポリ-Aテールを有する一部分である。ポリ-Aテールの存在により、一般にプライマーの3’末端に十分な長さのポリ-T配列を含むプローブまたはプライマーにハイブリダイゼーションが可能になる。別の実施態様では、標的核酸分子は、例えば逆転写酵素などによりRNAから生じたcDNAである。   In various embodiments, the target nucleic acid molecule is RNA. In one embodiment, the target nucleic acid molecule is an mRNA transcript or a portion thereof. In one such embodiment, the target nucleic acid molecule is an mRNA transcript or a portion having a poly-A tail thereof. The presence of the poly-A tail generally allows hybridization to probes or primers that contain a sufficiently long poly-T sequence at the 3 'end of the primer. In another embodiment, the target nucleic acid molecule is a cDNA generated from RNA, such as by reverse transcriptase.

(捕捉)
様々な実施態様では、標的核酸分子は、例えばRNA、DNA(例えばゲノムDNA)またはcDNAの分子などの核酸の混合物から捕捉される。一実施態様では、混合物中の核酸は、標的核酸分子の捕捉前に増幅される。これは、例えばユニバーサルなプライミング部位を含むアダプターを混合物中の核酸分子の末端にライゲートさせて得られ、末端はライゲーション前に随意に末端修復しうる。ユニバーサルプライマーは、混合物中の核酸増幅にこのように使用されうる。
(capture)
In various embodiments, the target nucleic acid molecule is captured from a mixture of nucleic acids such as RNA, DNA (eg, genomic DNA) or cDNA molecules. In one embodiment, the nucleic acids in the mixture are amplified prior to capture of the target nucleic acid molecule. This can be obtained, for example, by ligating an adapter containing a universal priming site to the end of a nucleic acid molecule in the mixture, which can optionally be end-repaired prior to ligation. Universal primers can thus be used for nucleic acid amplification in a mixture.

様々な実施態様では、標的核酸分子は、個体支持体に固定された相補的核酸を使用して捕捉される。相補的核酸は、標的核酸分子に対し完全に相補的である必要はなく、標的核酸分子と相補的核酸分子が特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成可能である限りミスマッチを含有してよい。一実施態様において、相補的核酸はプライマーである。このような一実施態様では、プライマーは、プライミング能力がある構造で個体支持体に固定される。例えば、3’-OHを有するプライマーは個体支持体に固定されており、3’-OHはポリメラーゼがプライマーの3’末端にヌクレオチドを付加するのに利用できる。これは、プライマーにプライミング能力がある限り、例えばプライマーをその5’末端で、またはプライマーの内部領域で個体支持体に固定することで得られうる。プライマーは、標的核酸分子と特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成可能である限り、任意長でよく、ある実施態様では、プライマー長は、少なくとも10、15、20、25、50、75、100、200、300、400または500塩基対である。   In various embodiments, the target nucleic acid molecule is captured using a complementary nucleic acid immobilized on an individual support. The complementary nucleic acid need not be completely complementary to the target nucleic acid molecule and may contain mismatches as long as the target nucleic acid molecule and the complementary nucleic acid molecule can form a specific hybridization complex. In one embodiment, the complementary nucleic acid is a primer. In one such embodiment, the primer is immobilized on the solid support in a priming capable structure. For example, a primer with 3'-OH is immobilized on a solid support and 3'-OH can be used by a polymerase to add nucleotides to the 3 'end of the primer. This can be obtained, for example, by immobilizing the primer to the solid support at its 5 'end, or at an internal region of the primer, so long as the primer is capable of priming. The primer can be of any length as long as it can form a specific hybridization complex with the target nucleic acid molecule, and in certain embodiments the primer length is at least 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 200. 300, 400 or 500 base pairs.

当分野は、核酸を個体支持体に固定する方法に通じている。例えば、上記提供された相補的核酸などの核酸は、共有結合または非共有結合などで個体支持体に固定されうる。適切な化学的リンカーまたは他の結合法は、当業者には公知である。例えば、一実施態様では、固定される核酸はビオチン化され(例えば、1つまたは複数のビオチン化ヌクレオチドを含む)、個体支持体は、その表面にストレプトアビジンを有し、核酸のビオチン部分がストレプトアビジンに結合して核酸を固定する。別の実施態様では、上記の実施態様で提供された固定処理は、核酸を個体支持体に合成して得られる。例えば、プライマーは、個体支持体に対し遠位のプライマー末端に利用可能な3’-OHを残して、ヌクレオチドを5’から3’の方向に重合させることにより個体支持体に合成されうる。高密度マイクロアレイなどの、オリゴヌクレオチドを個体支持体に5’から3’方向に合成する化学的方法は、当分野では公知であり、本明細書に記載の目的に使用されうる。その全体を本明細書に引用として組み込まれるAlbertら(2003)の「Light directed 5’→3’ synthesis of complex oligonucleotide microarrays」 Nucleic Acids Res. 31(7):e35を参照されたい。   The art leads to methods for immobilizing nucleic acids to an individual support. For example, nucleic acids such as the complementary nucleic acids provided above can be immobilized to an individual support, such as covalently or non-covalently. Suitable chemical linkers or other attachment methods are known to those skilled in the art. For example, in one embodiment, the nucleic acid to be immobilized is biotinylated (eg, comprises one or more biotinylated nucleotides), the solid support has streptavidin on its surface, and the biotin portion of the nucleic acid is streptoid. It binds to avidin and immobilizes nucleic acid. In another embodiment, the immobilization process provided in the above embodiments is obtained by synthesizing nucleic acid on an individual support. For example, a primer can be synthesized on an individual support by polymerizing nucleotides in the 5 'to 3' direction, leaving 3'-OH available at the primer end distal to the individual support. Chemical methods for synthesizing oligonucleotides in the 5 'to 3' direction on a solid support, such as high density microarrays, are known in the art and can be used for the purposes described herein. See Albert et al. (2003) “Light directed 5 ′ → 3 ′ synthesis of complex oligonucleotide microarrays” Nucleic Acids Res. 31 (7): e35, which is incorporated herein by reference in its entirety.

様々な実施態様では、個体支持体は、核酸が固定されうる任意の基材(substrate)でよい。このような基材は、限定ではないが、ガラス(例えば顕微鏡ガラススライド)、金属、セラミック、高分子ビーズおよび他の基材を含む。ある実施態様では、個体支持体は、例えばマイクロアレイなどのアレイの形態でよい。ある実施態様では、核酸は例えばビーズなどの個体支持体に固定されてから捕捉されるか、または例えばガラススライドまたはマイクロアレイなどの別の個体支持体に固定されてよい。   In various embodiments, the solid support can be any substrate on which the nucleic acid can be immobilized. Such substrates include but are not limited to glass (eg, microscope glass slides), metals, ceramics, polymeric beads and other substrates. In certain embodiments, the individual support may be in the form of an array, such as a microarray. In certain embodiments, the nucleic acid may be immobilized on an individual support, such as a bead, and then captured, or may be immobilized on another individual support, such as a glass slide or microarray.

ある実施態様では、相補的核酸が固定された個体支持体は、標的核酸分子を含む核酸の混合物にハイブリダイズ条件下で曝露される。標的核酸分子はこのようにして相補的核酸と特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成する。別の実施態様では、個体支持体は非結合核酸および非特異的結合核酸を除去するために洗浄され、これにより(特異的ハイブリダイゼーション複合体に含有される)標的核酸分子を混合物中の他の核酸から分離する。ある実施態様では、個体支持体を核酸混合物に曝露することおよび/または個体支持体を洗浄することは、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下および/またはストリンジェントな洗浄条件下でそれぞれ行われる。   In certain embodiments, an individual support to which a complementary nucleic acid is immobilized is exposed to a mixture of nucleic acids comprising a target nucleic acid molecule under hybridizing conditions. The target nucleic acid molecule thus forms a specific hybridization complex with the complementary nucleic acid. In another embodiment, the individual support is washed to remove non-binding nucleic acids and non-specific binding nucleic acids, thereby allowing target nucleic acid molecules (contained in the specific hybridization complex) to be mixed with other nucleic acids in the mixture. Separate from nucleic acids. In certain embodiments, exposing the individual support to the nucleic acid mixture and / or washing the individual support is performed under stringent hybridization conditions and / or stringent wash conditions, respectively.

本明細書では、「ハイブリダイゼーション」は相補的核酸鎖の対形成を指す。ハイブリダイゼーションとその強度(すなわち核酸鎖間の会合強度)は、核酸間の相補性の程度、条件のストリンジェンシー、ハイブリダイゼーション複合体のTmおよび核酸のG:C比率といった要因の影響を受ける。本発明は特定のハイブリダイゼーション条件の組に限定されるものではないが、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件が使用されうる。ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件は、ルーチンな方法を使用して当業者が経験的に決定してよい。ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件は、配列に依存すると同時に塩濃度および有機溶媒の存在などの環境的要因に依存する。一般に、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件は、規定のイオン強度およびpHで、特異的核酸配列の熱融解点(Tm)よりも約5℃から20℃低く選択される。ある実施態様では、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件は、相補的核酸に結合する特異的核酸の熱融解点よりも約5℃から10℃低い。Tmとは、核酸(例えば標的核酸分子)の50%が完全適合するプライマーに(規定のイオン強度およびpHで)ハイブリダイズする温度である。   As used herein, “hybridization” refers to pairing of complementary nucleic acid strands. Hybridization and its strength (ie, the strength of association between nucleic acid strands) are influenced by factors such as the degree of complementarity between nucleic acids, the stringency of conditions, the Tm of the hybridization complex, and the G: C ratio of the nucleic acid. Although the present invention is not limited to a specific set of hybridization conditions, stringent hybridization conditions may be used. Stringent hybridization conditions may be determined empirically by those skilled in the art using routine methods. Stringent hybridization conditions depend on the sequence as well as environmental factors such as salt concentration and the presence of organic solvents. Generally, stringent hybridization conditions are selected to be about 5 ° C. to 20 ° C. lower than the thermal melting point (Tm) of the specific nucleic acid sequence at a defined ionic strength and pH. In certain embodiments, stringent hybridization conditions are about 5 ° C. to 10 ° C. lower than the thermal melting point of a specific nucleic acid that binds to a complementary nucleic acid. Tm is the temperature at which 50% of a nucleic acid (eg, a target nucleic acid molecule) hybridizes (with a defined ionic strength and pH) to a perfectly compatible primer.

同様に、ストリンジェントな洗浄条件は、ルーチンな方法を使用して当業者が経験的に決定してよい。例えば、ストリンジェントな洗浄条件は、例えばアレイなどの個体支持体に固定された特異的ハイブリダイゼーション複合体から非特異的に結合した核酸を確実に分離しうる条件である。一実施態様では、アレイは、ハイブリダイゼーション条件(例えばストリンジェントなハイブリダイゼーション条件)に曝露された後、順次低濃度となる塩を含むバッファーおよび/または高濃度の洗浄剤および/または上昇する温度で、特異的ハイブリダイゼーション対非特異的ハイブリダイゼーションのシグナル対ノイズ比率が、特異的ハイブリダイゼーション、例えば完全にまたは実質的に完全な相補性を共有する核酸鎖間のハイブリダイゼーションを容易に検出できるほど高くなるまで洗浄される。ある実施態様では、ストリンジェントな洗浄条件は、約30℃、37℃、42℃、45℃、50℃または55℃の温度を含む。ある実施態様では、ストリンジェントな洗浄条件の塩濃度は、≦1M、≦500mM、≦250mM、≦100mM、≦50mMまたは≦25mMを含むが、≧10mMは含まない。ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件の一例は、50%ホルムアミド、5×SSC(0.75M NaCl、0.075Mクエン酸ナトリウム)、50mMリン酸ナトリウム(pH6.8)、0.1%ピロリン酸ナトリウム、5×デンハルト液、超音波処理したサケ精子DNA(50μg/ml)、0.1%SDSおよび10%デキストラン硫酸中42℃である。ストリンジェントな洗浄条件の一例は、0.1×SSC(EDTAを含有)中55℃である。   Similarly, stringent wash conditions may be determined empirically by those skilled in the art using routine methods. For example, stringent washing conditions are conditions that can reliably separate non-specifically bound nucleic acids from a specific hybridization complex immobilized on an individual support such as an array. In one embodiment, the array is exposed to hybridization conditions (e.g., stringent hybridization conditions), followed by buffers and / or high concentrations of detergents and / or increasing temperatures that are successively reduced in concentration. The signal-to-noise ratio of specific hybridization to non-specific hybridization is high enough to easily detect specific hybridization, e.g. hybridization between nucleic acid strands sharing complete or substantially complete complementarity. It is washed until. In certain embodiments, stringent wash conditions comprise a temperature of about 30 ° C, 37 ° C, 42 ° C, 45 ° C, 50 ° C or 55 ° C. In certain embodiments, the salt concentration of stringent wash conditions comprises ≦ 1M, ≦ 500 mM, ≦ 250 mM, ≦ 100 mM, ≦ 50 mM or ≦ 25 mM, but not ≧ 10 mM. An example of stringent hybridization conditions is 50% formamide, 5 × SSC (0.75 M NaCl, 0.075 M sodium citrate), 50 mM sodium phosphate (pH 6.8), 0.1% sodium pyrophosphate, 5% X Denhardt's solution, sonicated salmon sperm DNA (50 μg / ml), 0.1% SDS and 10% dextran sulfate at 42 ° C. An example of stringent washing conditions is 55 ° C. in 0.1 × SSC (containing EDTA).

(配列決定)
標的核酸分子(特異的ハイブリダイゼーション複合体に含有される)は、混合物の他の核酸から分離された後、配列決定されうる。様々な実施態様では、この工程は一般に「再配列決定」と称され、リファレンスゲノムからの標的領域の配列は既知である。再配列決定の現行法では、標的核酸分子を増幅させた後、特異的ハイブリダイゼーション複合体から溶出させることが必要であり、増幅された標的核酸分子は次いで「次世代」配列決定技術(例えばパラレルで高スループットの配列決定ができる配列決定プラットフォーム)または再配列決定アレイ(核酸の個々のセグメントにおける変異の有無を特異的に検出するプローブを含むマイクロアレイ)を使用して配列が決定される。溶出工程および増幅工程の要件は時間とリソースを消費し、試料の欠失または標的核酸分子群内の個別の標的核酸分子のバイアス表示のおそれがある。
(Sequencing)
The target nucleic acid molecule (contained in the specific hybridization complex) can be sequenced after being separated from other nucleic acids in the mixture. In various embodiments, this step is commonly referred to as “resequencing” and the sequence of the target region from the reference genome is known. Current methods of resequencing require that the target nucleic acid molecule be amplified and then eluted from the specific hybridization complex, and the amplified target nucleic acid molecule is then subjected to “next generation” sequencing techniques (eg, in parallel). Sequencing is determined using sequencing platforms capable of high-throughput sequencing) or resequencing arrays (microarrays containing probes that specifically detect the presence or absence of mutations in individual segments of nucleic acids). The requirements of the elution and amplification steps are time and resource consuming and can lead to sample loss or bias indication of individual target nucleic acid molecules within the target nucleic acid molecule population.

したがって、様々な実施態様では、特異的ハイブリダイゼーション複合体から標的核酸分子を溶出させることなく標的核酸分子の再配列決定を行う。これは、一実施態様では、特異的ハイブリダイゼーション複合体に含有される相補的核酸が、プライミング能力のある構造で個体支持体に固定されたプライマーである場合に達成される。例えば、プライマーは、標的核酸分子の特定領域に、当該核酸分子の残りの部分は一本鎖の形態で、ハイブリダイズされうる。したがって、ポリメラーゼは、標的核酸分子の一本鎖の(ハイブリダイズされていない)部分を鋳型として使用し、プライマーの利用可能な3’-OHにヌクレオチドを付加することが可能になる。ポリメラーゼにより合成された核酸鎖は、標的核酸分子の配列を決定するのに使用される。   Thus, in various embodiments, the target nucleic acid molecule is resequenced without eluting the target nucleic acid molecule from the specific hybridization complex. This is achieved in one embodiment when the complementary nucleic acid contained in the specific hybridization complex is a primer immobilized on the solid support in a priming capable structure. For example, a primer can be hybridized to a specific region of a target nucleic acid molecule, with the remaining portion of the nucleic acid molecule being in single-stranded form. Thus, the polymerase can use the single stranded (non-hybridized) portion of the target nucleic acid molecule as a template to add nucleotides to the available 3'-OH of the primer. The nucleic acid strand synthesized by the polymerase is used to determine the sequence of the target nucleic acid molecule.

したがって、特異的ハイブリダイゼーション複合体がプライマーを通じて固定される個体支持体は、重合反応混合物に曝露されうる。一実施態様では、重合反応混合物は、ポリメラーゼとヌクレオチドを含む。ポリメラーゼはDNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼまたは逆転写酵素でよい。標的核酸分子がRNAである場合、ポリメラーゼは逆転写酵素でよい。標的核酸分子がDNAである別の実施態様では、ポリメラーゼはDNAポリメラーゼである。ある例示的DNAポリメラーゼは、限定ではないが、細菌性DNAポリメラーゼ(例えばE.coli DNA、pol I、II、III、IVおよびVならびにDNA pol IのKlenow断片)、ウイルス性DNAポリメラーゼ(例えばT4およびT7 DNAポリメラーゼ)、古細菌性DNAポリメラーゼ(例えばテルムス・アクアティクス(Taq)DNAポリメラーゼ、パイロコッカス・フリオサス(Pfu)DNAポリメラーゼ、「ディープベント(Deep Vent)」DNAポリメラーゼ(New England BioLabs)、真核生物DNAポリメラーゼおよびこれらの操作または修飾した変異体などを含む。ある例示的RNAポリメラーゼは、限定ではないが、T7、T3およびSP6 RNAポリメラーゼならびこれらの操作または修飾した変異体などを含む。ある例示的逆転写酵素は、限定ではないが、HIV、MMLVおよびAMVからの逆転写酵素ならびにスーパースクリプト(Invitrogen, Carlsbad, CA)などの市販の逆転写酵素などを含む。   Thus, the solid support to which the specific hybridization complex is immobilized through the primer can be exposed to the polymerization reaction mixture. In one embodiment, the polymerization reaction mixture comprises a polymerase and nucleotides. The polymerase may be a DNA polymerase, RNA polymerase or reverse transcriptase. If the target nucleic acid molecule is RNA, the polymerase can be reverse transcriptase. In another embodiment where the target nucleic acid molecule is DNA, the polymerase is a DNA polymerase. Some exemplary DNA polymerases include, but are not limited to, bacterial DNA polymerases (eg, E. coli DNA, pol I, II, III, IV, and V and the Klenow fragment of DNA pol I), viral DNA polymerases (eg, T4 and T7 DNA polymerase), archaeal DNA polymerase (eg, Thermus Aquatics (Taq) DNA polymerase, Pyrococcus furiosus (Pfu) DNA polymerase, “Deep Vent” DNA polymerase (New England BioLabs), eukaryotic Biological DNA polymerases and their engineered or modified variants, etc. Some exemplary RNA polymerases include, but are not limited to, T7, T3 and SP6 RNA polymerases and their engineered or modified variants. Some exemplary reverse transcriptases include, but are not limited to, reverse transcriptases from HIV, MMLV and AMV and commercially available reverse transcriptases such as Superscript (Invitrogen, Carlsbad, Calif.).

ある実施態様では、重合反応混合物中のヌクレオチドおよび/またはポリメラーゼは標識される。一実施態様では、1、2、3または4種類のヌクレオチドが区別して標識される。このような一実施態様では、4種類のヌクレオチドが異なる4つの標識で標識される。例えば、dNTPの場合、アデニン(またはその機能的に同等のアナログ)、グアニン(またはその機能的に同等のアナログ)、シトシン(またはその機能的に同等のアナログ)およびチミン(またはその機能的に同等のアナログ)はそれぞれ、例えば異なるフルオロフォアなどの別々の標識で標識される。同様に、rNTPの場合、アデニン(またはその機能的に同等のアナログ)、グアニン(またはその機能的に同等のアナログ)、シトシン(またはその機能的に同等のアナログ)およびウラシル(またはその機能的に同等のアナログ)はそれぞれ、例えば異なるフルオロフォアなどの別々の標識で標識される。適切な標識は、限定ではないが、発光性の、光ルミネセンスの、エレクトロルミネセンスの、バイオルミネセンスの、化学ルミネセンスの、蛍光のおよび/またはリン光性の標識を含む。蛍光の標識は、限定ではないが、キサンチン染料、フルオレセイン、シアニン、ローダミン、クマリン、アクリジン、テキサスレッド染料、BODIPY、ALEXA、GFPおよびそれらの変更を含む。標識は、ヌクレオチドに直接付着させるか、または適切なリンカーを介して付着させてよい。標識は、ポリメラーゼが伸長する核酸鎖にヌクレオチドを取り込む能力に有意に干渉しない、任意の位置に付着させてよい。一実施態様では、標識をヌクレオチドのリン酸、例えばヌクレオチドの末端のリン酸に付着させるので、ヌクレオチドのリン酸鎖および標識は、伸長する核酸鎖にヌクレオチドが取り込まれると切断される。標識ヌクレオチドおよび/またはポリメラーゼは、ポリメラーゼに合成された核酸鎖の検出を可能にしうる。   In certain embodiments, the nucleotides and / or polymerases in the polymerization reaction mixture are labeled. In one embodiment, 1, 2, 3 or 4 nucleotides are differentially labeled. In one such embodiment, the four nucleotides are labeled with four different labels. For example, in the case of dNTPs, adenine (or its functionally equivalent analog), guanine (or its functionally equivalent analog), cytosine (or its functionally equivalent analog) and thymine (or its functionally equivalent) Each) is labeled with a separate label, such as a different fluorophore. Similarly, in the case of rNTPs, adenine (or a functionally equivalent analog thereof), guanine (or a functionally equivalent analog thereof), cytosine (or a functionally equivalent analog thereof) and uracil (or a functionally equivalent thereof) Each equivalent analog) is labeled with a separate label, such as a different fluorophore. Suitable labels include, but are not limited to, luminescent, photoluminescent, electroluminescent, bioluminescent, chemiluminescent, fluorescent and / or phosphorescent labels. Fluorescent labels include, but are not limited to, xanthine dyes, fluorescein, cyanine, rhodamine, coumarin, acridine, Texas red dye, BODIPY, ALEXA, GFP and modifications thereof. The label may be attached directly to the nucleotide or via an appropriate linker. The label may be attached at any position that does not significantly interfere with the ability of the polymerase to incorporate nucleotides into the extending nucleic acid strand. In one embodiment, the label is attached to the phosphate of the nucleotide, eg, the phosphate at the end of the nucleotide, so that the phosphate chain of the nucleotide and the label are cleaved upon incorporation of the nucleotide into the extending nucleic acid chain. The labeled nucleotide and / or polymerase may allow detection of the nucleic acid strand synthesized by the polymerase.

ある実施態様では、標的核酸分子の配列は、ポリメラーゼによって伸長する核酸鎖に取り込まれるヌクレオチドを、取り込まれる順に同定することで決定される。一実施態様は、伸長する核酸鎖に取り込まれるヌクレオチドの標識を、ヌクレオチドが取り込まれる順に、直接的または間接的に検出することと、検出された標識をヌクレオチドのアイデンティティと相関させることで伸長する核酸鎖の配列を確認することを含む。このように、標的核酸分子(または、プライマーが標的核酸分子のセンス鎖またはアンチセンス鎖のどちらにハイブリダイズするかによって、その相補鎖)の配列が決定される。このような実施態様では、標識の検出および基本的には標的核酸分子の配列決定は、リアルタイムかつ「単分子」レベルで行われる。上述し、また以下にも例示するが、ヌクレオチドが伸長する核酸鎖に取り込まれるのと同時に標識は除去されるので、得られる核酸鎖は標識されない。   In one embodiment, the sequence of the target nucleic acid molecule is determined by identifying the nucleotides that are incorporated into the nucleic acid strand that is extended by the polymerase in the order in which they are incorporated. In one embodiment, the nucleic acid extending by detecting the label of the nucleotide incorporated into the extending nucleic acid strand, directly or indirectly, in the order in which the nucleotide is incorporated, and correlating the detected label with the nucleotide identity. Including confirming the sequence of the strands. Thus, the sequence of the target nucleic acid molecule (or its complementary strand depends on whether the primer hybridizes to the sense strand or the antisense strand of the target nucleic acid molecule). In such embodiments, the detection of the label and essentially the sequencing of the target nucleic acid molecule is performed at a real time and “single molecule” level. As described above and below, since the label is removed at the same time as the nucleotide is incorporated into the extending nucleic acid strand, the resulting nucleic acid strand is not labeled.

伸長する核酸鎖に取り込まれる標識ヌクレオチドを検出するいくつかの方法は、国際公開第2010/002939号に記載されている。このような方法は、分子同士が違いに十分近い距離にあるときの「ドナー」分子(FRET(Forster共鳴エネルギー転移)ドナー)と「アクセプター」分子(FRETアクセプター)間のForster共鳴エネルギー転移に依拠する。特定の実施態様では、ポリメラーゼは、FRETドナーフルオロフォアで標識され、ヌクレオチドはFRETアクセプターフルオロフォアで標識されている。ポリメラーゼがヌクレオチドを伸長する核酸鎖に取り込むと、FRETドナーフルオロフォアおよびFRETアクセプターフルオロフォアは互いに近づき、FRETドナーフルオロフォアからFRETアクセプターフルオロフォアへのエネルギーの移動が可能になる。エネルギー移動により、FRETドナーフルオロフォアからの発光強度は低減し、FRETアクセプターフルオロフォアの発光強度は増加する。FRETアクセプターの発光スペクトルの検出は、取り込まれているヌクレオチドのアイデンティティを示す。一実施態様では、ポリメラーゼに付着したFRETドナーは、国際公開第2010/002939号に記載のように、蛍光ナノ粒子、例えばナノ結晶、より具体的には量子ドットである。FRETドナーは、ドナー発光が生成されるレーザーなどの励起源で照射しうる。別の実施態様では、異なるFRETアクセプターが1つまたは複数の種類のヌクレオチドそれぞれに、より具体的には3種類または4種類のヌクレオチドそれぞれに付着している。FRETアクセプターは、上述のどの蛍光標識であってもよい。   Several methods for detecting labeled nucleotides incorporated into elongating nucleic acid strands are described in WO 2010/002939. Such a method relies on Forster resonance energy transfer between a “donor” molecule (FRET (Forster Resonance Energy Transfer) donor) and an “acceptor” molecule (FRET acceptor) when the molecules are at a distance close enough to the difference. . In a particular embodiment, the polymerase is labeled with a FRET donor fluorophore and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor fluorophore. When the polymerase incorporates the nucleotide into the elongating nucleic acid strand, the FRET donor fluorophore and the FRET acceptor fluorophore are brought close together, allowing energy transfer from the FRET donor fluorophore to the FRET acceptor fluorophore. Due to the energy transfer, the emission intensity from the FRET donor fluorophore decreases and the emission intensity of the FRET acceptor fluorophore increases. Detection of the emission spectrum of the FRET acceptor indicates the identity of the incorporated nucleotide. In one embodiment, the FRET donor attached to the polymerase is a fluorescent nanoparticle, such as a nanocrystal, more specifically a quantum dot, as described in WO 2010/002939. The FRET donor may be irradiated with an excitation source such as a laser that generates donor emission. In another embodiment, different FRET acceptors are attached to each of one or more types of nucleotides, more specifically to each of three or four types of nucleotides. The FRET acceptor may be any of the fluorescent labels described above.

標識は、限定ではないが、電荷結合素子および全反射顕微鏡などの任意適切な方法または装置を使用して検出されうる。   The label can be detected using any suitable method or device such as, but not limited to, a charge coupled device and a total reflection microscope.

標的核酸分子がポリ-RNAである実施態様では、標的核酸分子はポリ-T配列を含むプライマーを使用して捕捉される。cDNAは、逆転写酵素を使用してプライマーから合成される(が配列は決定されない)。標的核酸分子は次いで、新たに合成されたcDNA鎖を残して個体支持体の特異的ハイブリダイゼーション複合体から変性され、プライマーを介して個体支持体に固定される。個体支持体は次いで、新たに合成されたcDNAにハイブリダイズする、ポリ-Aを含むプライマーに曝露される。新たに合成されたcDNAは、上述のように、個体支持体を重合反応混合物に曝露することにより配列決定され、DNAポリメラーゼが核酸鎖をポリAプライマーから合成する。   In embodiments where the target nucleic acid molecule is poly-RNA, the target nucleic acid molecule is captured using a primer comprising a poly-T sequence. The cDNA is synthesized from the primer using reverse transcriptase (but not sequenced). The target nucleic acid molecule is then denatured from the specific hybridization complex of the individual support leaving a newly synthesized cDNA strand and immobilized to the individual support via a primer. The solid support is then exposed to a primer containing poly-A that hybridizes to the newly synthesized cDNA. The newly synthesized cDNA is sequenced by exposing the solid support to the polymerization reaction mixture as described above, and the DNA polymerase synthesizes the nucleic acid strand from the poly A primer.

上記の方法を用いて、複数の標的核酸分子は、対象となる標的核酸分子のそれぞれに特異的なプライマーを選択し、例えばマイクロアレイなどの個体支持体の個々の区域にプライマーを固定することにより、分離され配列決定されうる。このようにして、対象となる標的核酸分子は、高スループットで分離され配列決定されうる。   Using the method described above, a plurality of target nucleic acid molecules can be selected by selecting primers specific to each target nucleic acid molecule of interest and immobilizing the primers in individual areas of an individual support, such as a microarray, Can be separated and sequenced. In this way, target nucleic acid molecules of interest can be separated and sequenced with high throughput.

(III メチル化状態の決定)
別の態様では、本発明は、ゲノムDNA断片内のCpGジヌクレオチドのメチル化状態をゲノムDNA断片を個体支持体に固定することにより決定し、固定されたゲノムDNA断片の核酸配列をゲノムDNA断片を鋳型として使用するポリメラーゼによるヌクレオチド重合の検出により決定し、固定されたゲノムDNA断片を新たに合成された核酸鎖から変性させ、個体支持体を亜硫酸水素塩に曝露し、ゲノムDNA断片の核酸配列を、標的核酸分子を鋳型として使用するポリメラーゼによるヌクレオチド重合の検出により決定する方法に関する。
(III Determination of methylation status)
In another aspect, the present invention determines the methylation status of CpG dinucleotides in a genomic DNA fragment by immobilizing the genomic DNA fragment to an individual support, and the nucleic acid sequence of the immobilized genomic DNA fragment is determined as a genomic DNA fragment. Is determined by detection of nucleotide polymerization with a polymerase using as a template, the immobilized genomic DNA fragment is denatured from the newly synthesized nucleic acid strand, the individual support is exposed to bisulfite, and the nucleic acid sequence of the genomic DNA fragment Is determined by detection of nucleotide polymerization by a polymerase using a target nucleic acid molecule as a template.

(ゲノムDNA断片)
ゲノムDNA断片は、ヒトゲノムまたは他の任意の生物由来のゲノムなどの任意のゲノムから得られうる。ゲノムは部分的であっても完全であってもよい。ゲノムは、患者試料またはプールされた患者試料、セルラインまたはセル培地、生検材料、正常な組織試料または腫瘍や他の疾患の組織および当業者が認めうる他の生物学的供給源などの任意の生物学的供給源に由来しうる。一実施態様では、ゲノムDNAは、例えば超音波処理または水力学的力により剪断され、一般に約200〜600塩基対の断片にされる。別の実施態様では、ゲノムDNAは酵素消化により断片化される。
(Genomic DNA fragment)
Genomic DNA fragments can be obtained from any genome, such as a human genome or a genome from any other organism. The genome may be partial or complete. The genome can be any patient sample or pooled patient sample, cell line or cell culture medium, biopsy material, normal tissue sample or tumor or other diseased tissue and other biological sources recognized by those skilled in the art. From any biological source. In one embodiment, genomic DNA is sheared, for example, by sonication or hydraulic forces, and is generally made into fragments of about 200-600 base pairs. In another embodiment, the genomic DNA is fragmented by enzymatic digestion.

(ゲノムDNA断片の固定)
ゲノムDNA断片は、様々な方法のうち任意の方法で個体支持体に固定されうる。ゲノムDNA断片は、共有結合または非共有結合などで個体支持体に直接的または間接的に固定されうる。適切な化学的リンカーまたは他の結合法が当業者には公知である。特定の実施態様では、ゲノムDNA断片は変性され、個体支持体に一本鎖の形態で固定される。ゲノムDNA断片、例えば一本鎖のゲノムDNA断片は、結合用の核酸またはアダプターを介して個体支持体に固定される。例えば、アダプターは個体支持体に固定された状態で、ゲノムDNA断片の一端または両端にライゲートされうる。アダプターは、例えばオリゴヌクレオチドなどの一本鎖でありうる。ある実施態様では、アダプターは最初にゲノムDNA断片にライゲートされ、次いで個体支持体に固定されるか、あるいは、アダプターは最初に個体支持体に固定され、次いでゲノム断片が個体支持体上のアダプターにライゲートされる。別の実施態様では、アダプターはビオチン化され(例えば、1つまたは複数のビオチン化ヌクレオチドを含む)、個体支持体は、その表面にストレプトアビジンを有し、ビオチン部分がストレプトアビジンに結合してアダプターを固定する。
(Fixation of genomic DNA fragment)
The genomic DNA fragment can be fixed to the individual support in any of a variety of ways. The genomic DNA fragment can be directly or indirectly fixed to the individual support, such as covalently or non-covalently. Suitable chemical linkers or other attachment methods are known to those skilled in the art. In certain embodiments, the genomic DNA fragment is denatured and fixed in a single-stranded form on an individual support. A genomic DNA fragment, for example, a single-stranded genomic DNA fragment, is fixed to an individual support via a binding nucleic acid or an adapter. For example, the adapter can be ligated to one or both ends of the genomic DNA fragment while being fixed to the solid support. The adapter can be single stranded, eg, an oligonucleotide. In some embodiments, the adapter is first ligated to the genomic DNA fragment and then fixed to the individual support, or the adapter is first fixed to the individual support and then the genomic fragment is then attached to the adapter on the individual support. Ligated. In another embodiment, the adapter is biotinylated (eg, comprises one or more biotinylated nucleotides), the solid support has streptavidin on its surface, and the biotin moiety binds to streptavidin and the adapter To fix.

固定されたゲノムDNA断片の方向は、個体支持体から5’→3’でも、個体支持体から3’→5’でもよい。一実施態様では、固定されたゲノムDNA断片は、個体支持体から3’→5’に向けられる。別の実施態様では、固定されたゲノムDNA断片は一本鎖である。別の実施態様では、一本鎖ゲノム断片は、例えばオリゴヌクレオチドなどのアダプターを介して個体支持体に固定される。特定の実施態様では、ゲノムDNA断片は一本鎖であり、個体支持体に固定されたアダプターにライゲートされ、アダプターとゲノムDNA断片は、個体支持体から3’→5’に向けられる。   The direction of the fixed genomic DNA fragment may be 5 ′ → 3 ′ from the individual support or 3 ′ → 5 ′ from the individual support. In one embodiment, the immobilized genomic DNA fragment is directed 3 '→ 5' from the individual support. In another embodiment, the fixed genomic DNA fragment is single stranded. In another embodiment, the single stranded genomic fragment is immobilized on an individual support via an adapter, such as an oligonucleotide. In certain embodiments, the genomic DNA fragment is single stranded and ligated to an adapter fixed to the solid support, with the adapter and genomic DNA fragment being directed 3 '→ 5' from the solid support.

(配列決定)
固定されたゲノムDNA断片の配列は、個体支持体上で決定される。ある実施態様では、ゲノムDNA断片は、一本鎖の形態で個体支持体に固定されるか、または二本鎖の形態で個体支持体に固定され、その全体または一部は個体支持体に固定されたままの一本鎖に変換可能である。
(Sequencing)
The sequence of the fixed genomic DNA fragment is determined on an individual support. In one embodiment, the genomic DNA fragment is fixed to the solid support in a single-stranded form, or fixed to the solid support in a double-stranded form, all or part of which is fixed to the solid support. It can be converted to a single strand as it is.

ある実施態様では、個体支持体は、ハイブリダイゼーション条件下でプライマーに曝露され、プライマーとゲノムDNA断片は特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成する。ある別の実施態様では、個体支持体は、ハイブリダイゼーション条件下でプライマーに曝露され、プライマーとアダプターは特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成する。このような一実施態様では、アダプターはゲノムDNA断片がライゲートされるオリゴヌクレオチドであり、アダプターは個体支持体に固定される。前述の実施態様では、ゲノムDNA断片またはアダプター中のプライマーが結合する核酸配列中のシトシンは、亜硫酸水素塩処理の結果の脱アミノ化から、例えば保護基を有することにより保護される。保護基は例えばメチル基でよく、保護されるシトシンは5-メチルシトシンでありうる。   In certain embodiments, an individual support is exposed to a primer under hybridization conditions, and the primer and genomic DNA fragment form a specific hybridization complex. In certain other embodiments, the individual support is exposed to the primer under hybridization conditions, and the primer and adapter form a specific hybridization complex. In one such embodiment, the adapter is an oligonucleotide to which a genomic DNA fragment is ligated and the adapter is immobilized on an individual support. In the foregoing embodiment, cytosine in the nucleic acid sequence to which the primer in the genomic DNA fragment or adapter binds is protected from deamination resulting from bisulfite treatment, for example by having a protecting group. The protecting group can be, for example, a methyl group, and the cytosine to be protected can be 5-methylcytosine.

別の実施態様では、個体支持体は重合反応混合物に曝露される。一実施態様では、重合反応混合物はDNAポリメラーゼとヌクレオチドを含み、DNAポリメラーゼはゲノムDNA断片を鋳型として使用してプライマーから核酸鎖を合成する。このような一実施態様では、DNAポリメラーゼは、アダプターと特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成するプライマーから核酸鎖を合成し、アダプター(随意)とゲノムDNA断片は鋳型として使用される。例えば、アダプターとゲノムDNA断片が個体支持体から3’→5’方向に向いており、アダプターがゲノムDNA断片を個体支持体に結合させている場合、プライマーは個体支持体から5’→3’方向にアダプターにハイブリダイズしうるので、プライマーは、ポリメラーゼによるアダプターおよび(随意で)ゲノムDNA断片を鋳型として使用する5’→3’方向の合成をプライミングする。別のこのような実施態様では、DNAポリメラーゼは、ゲノムDNA断片と特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成するプライマーから核酸鎖を合成し、ゲノムDNA断片は鋳型として使用される。   In another embodiment, the solid support is exposed to the polymerization reaction mixture. In one embodiment, the polymerization reaction mixture comprises DNA polymerase and nucleotides, which synthesize nucleic acid strands from the primers using genomic DNA fragments as templates. In one such embodiment, the DNA polymerase synthesizes a nucleic acid strand from primers that form a specific hybridization complex with the adapter, and the adapter (optional) and the genomic DNA fragment are used as a template. For example, if the adapter and genomic DNA fragment are oriented 3 ′ → 5 ′ from the individual support and the adapter binds the genomic DNA fragment to the individual support, the primer is 5 ′ → 3 ′ from the individual support. Because it can hybridize to the adapter in the direction, the primer primes the synthesis in the 5 ′ → 3 ′ direction using the adapter by the polymerase and (optionally) the genomic DNA fragment as a template. In another such embodiment, the DNA polymerase synthesizes a nucleic acid strand from a primer that forms a specific hybridization complex with the genomic DNA fragment, and the genomic DNA fragment is used as a template.

適切なDNAポリメラーゼは、限定ではないが、細菌性DNAポリメラーゼ(例えばE.coli DNA、pol I、II、III、IVおよびVならびにDNA pol IのKlenow断片)、ウイルス性DNAポリメラーゼ(例えばT4およびT7 DNAポリメラーゼ)、古細菌性DNAポリメラーゼ(例えばテルムス・アクアティクス(Taq)DNAポリメラーゼ、パイロコッカス・フリオサス(Pfu)DNAポリメラーゼ、「ディープベント(Deep Vent)」DNAポリメラーゼ(New England BioLabs)、真核生物DNAポリメラーゼおよびこれらの操作または修飾した変異体などを含む。   Suitable DNA polymerases include, but are not limited to, bacterial DNA polymerases (eg, E. coli DNA, pol I, II, III, IV, and V and Kpolnow fragments of DNA pol I), viral DNA polymerases (eg, T4 and T7). DNA polymerase), archaeal DNA polymerase (eg, Thermus Aquatics (Taq) DNA polymerase, Pyrococcus furiosus (Pfu) DNA polymerase, “Deep Vent” DNA polymerase (New England BioLabs), eukaryotic organism DNA polymerases and their engineered or modified mutants are included.

ある実施態様では、重合反応混合物中のヌクレオチドおよび/またはポリメラーゼは標識される。一実施態様では、1、2、3または4種類のヌクレオチドが区別して標識される。このような一実施態様では、4種類のヌクレオチドが異なる4つの標識で標識される。例えば、dNTPの場合、アデニン(またはその機能的に同等のアナログ)、グアニン(またはその機能的に同等のアナログ)、シトシン(またはその機能的に同等のアナログ)およびチミン(またはその機能的に同等のアナログ)はそれぞれ、例えば異なるフルオロフォアなどの別々の標識で標識される。適切な標識は、限定ではないが、発光性の、光ルミネセンスの、エレクトロルミネセンスの、バイオルミネセンスの、化学ルミネセンスの、蛍光のおよび/またはリン光性の標識を含む。蛍光の標識は、限定ではないが、キサンチンダイ、フルオレセイン、シアニン、ローダミン、クマリン、アクリジン、テキサスレッドダイ、BODIPY、ALEXA、GFPおよびそれらの変更を含む。標識は、ヌクレオチドに直接付着させるか、または適切なリンカーを介して付着させてよい。標識は、ポリメラーゼが伸長する核酸鎖にヌクレオチドを取り込む能力に有意に干渉しない、任意の位置に付着させてよい。一実施態様では、標識をヌクレオチドのリン酸、例えばヌクレオチドの末端のリン酸に付着させるので、ヌクレオチドのリン酸鎖および標識は、伸長する核酸鎖にヌクレオチドが取り込まれると切断される。標識ヌクレオチドおよび/またはポリメラーゼは、ポリメラーゼに合成された核酸鎖の検出を可能にしうる。   In certain embodiments, the nucleotides and / or polymerases in the polymerization reaction mixture are labeled. In one embodiment, 1, 2, 3 or 4 nucleotides are differentially labeled. In one such embodiment, the four nucleotides are labeled with four different labels. For example, in the case of dNTPs, adenine (or its functionally equivalent analog), guanine (or its functionally equivalent analog), cytosine (or its functionally equivalent analog) and thymine (or its functionally equivalent) Each) is labeled with a separate label, such as a different fluorophore. Suitable labels include, but are not limited to, luminescent, photoluminescent, electroluminescent, bioluminescent, chemiluminescent, fluorescent and / or phosphorescent labels. Fluorescent labels include, but are not limited to, xanthine dye, fluorescein, cyanine, rhodamine, coumarin, acridine, Texas red dye, BODIPY, ALEXA, GFP and modifications thereof. The label may be attached directly to the nucleotide or via an appropriate linker. The label may be attached at any position that does not significantly interfere with the ability of the polymerase to incorporate nucleotides into the extending nucleic acid strand. In one embodiment, the label is attached to the phosphate of the nucleotide, eg, the phosphate at the end of the nucleotide, so that the phosphate chain of the nucleotide and the label are cleaved upon incorporation of the nucleotide into the extending nucleic acid chain. The labeled nucleotide and / or polymerase may allow detection of the nucleic acid strand synthesized by the polymerase.

ある実施態様では、ゲノムDNA断片の配列は、ポリメラーゼによって伸長する核酸鎖に取り込まれるヌクレオチドを、取り込まれる順に同定することで決定される。一実施態様は、伸長する核酸鎖に取り込まれるヌクレオチドの標識を、ヌクレオチドが取り込まれる順に、直接的または間接的に検出することと、検出された標識をヌクレオチドのアイデンティティと相関させることで伸長する核酸鎖の配列を確認することを含む。このように、ゲノムDNA断片(または、ゲノムDNA断片のセンス鎖またはアンチセンス鎖のどちらが固定されるかによって、その相補鎖)の配列が決定される。このような実施態様では、標識の検出および基本的にはゲノムDNA断片の配列決定は、リアルタイムかつ「単分子」レベルで行われる。上述し、また以下にも例示するが、ヌクレオチドが伸長する核酸鎖に取り込まれるのと同時に標識は除去されるので、新たに得られる核酸鎖は標識されない。   In one embodiment, the sequence of the genomic DNA fragment is determined by identifying the nucleotides that are incorporated into the nucleic acid strand that is extended by the polymerase in the order of incorporation. In one embodiment, the nucleic acid extending by detecting the label of the nucleotide incorporated into the extending nucleic acid strand, directly or indirectly, in the order in which the nucleotide is incorporated, and correlating the detected label with the nucleotide identity. Including confirming the sequence of the strands. Thus, the sequence of the genomic DNA fragment (or the complementary strand depending on whether the sense strand or the antisense strand of the genomic DNA fragment is fixed) is determined. In such an embodiment, the detection of the label and essentially the sequencing of the genomic DNA fragment is performed at a real time and “single molecule” level. As described above and below, since the label is removed at the same time as the nucleotide is incorporated into the extending nucleic acid chain, the newly obtained nucleic acid chain is not labeled.

伸長する核酸鎖に取り込まれる標識ヌクレオチドを検出するいくつかの方法は、国際公開第2010/002939号に記載されている。このような方法は、分子同士が違いに十分近い距離にあるときの「ドナー」分子(FRET(Forster共鳴エネルギー転移)ドナー)と「アクセプター」分子(FRETアクセプター)間のForster共鳴エネルギー転移に依拠する。特定の実施態様では、ポリメラーゼは、FRETドナーフルオロフォアで標識され、ヌクレオチドはFRETアクセプターフルオロフォアで標識されている。ポリメラーゼがヌクレオチドを伸長する核酸鎖に取り込むと、FRETドナーフルオロフォアおよびFRETアクセプターフルオロフォアは互いに近づき、FRETドナーフルオロフォアからFRETアクセプターフルオロフォアへのエネルギーの移動が可能になる。エネルギー移動により、FRETドナーフルオロフォアからの発光強度は低減し、FRETアクセプターフルオロフォアの発光強度は増加する。FRETアクセプターの発光スペクトルの検出は、取り込まれているヌクレオチドのアイデンティティを示す。一実施態様では、ポリメラーゼに付着したFRETドナーは、国際公開第2010/002939号に記載のように、蛍光ナノ粒子、例えばナノ結晶、より具体的には量子ドットである。FRETドナーは、ドナー発光が生成されるレーザーなどの励起源で照射しうる。別の実施態様では、異なるFRETアクセプターが1つまたは複数の種類のヌクレオチドそれぞれに、より具体的には3種類または4種類のヌクレオチドそれぞれに付着している。FRETアクセプターは、上述のどの蛍光標識であってもよい。   Several methods for detecting labeled nucleotides incorporated into elongating nucleic acid strands are described in WO 2010/002939. Such a method relies on Forster resonance energy transfer between a “donor” molecule (FRET (Forster Resonance Energy Transfer) donor) and an “acceptor” molecule (FRET acceptor) when the molecules are at a distance close enough to the difference. . In a particular embodiment, the polymerase is labeled with a FRET donor fluorophore and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor fluorophore. When the polymerase incorporates the nucleotide into the elongating nucleic acid strand, the FRET donor fluorophore and the FRET acceptor fluorophore are brought close together, allowing energy transfer from the FRET donor fluorophore to the FRET acceptor fluorophore. Due to the energy transfer, the emission intensity from the FRET donor fluorophore decreases and the emission intensity of the FRET acceptor fluorophore increases. Detection of the emission spectrum of the FRET acceptor indicates the identity of the incorporated nucleotide. In one embodiment, the FRET donor attached to the polymerase is a fluorescent nanoparticle, such as a nanocrystal, more specifically a quantum dot, as described in WO 2010/002939. The FRET donor may be irradiated with an excitation source such as a laser that generates donor emission. In another embodiment, different FRET acceptors are attached to each of one or more types of nucleotides, more specifically to each of three or four types of nucleotides. The FRET acceptor may be any of the fluorescent labels described above.

標識は、限定ではないが、電荷結合素子および全反射顕微鏡などの任意適切な方法または装置を使用して検出しうる。   The label may be detected using any suitable method or device such as, but not limited to, a charge coupled device and a total reflection microscope.

上記の方法を用いて、複数のゲノムDNA断片は、例えばマイクロアレイなどの個体支持体の個々の区域にゲノムDNA断片を固定することにより、分離され配列決定されうる。このようにして、対象となるゲノムDNA断片は、高スループットで固定され配列決定されうる。   Using the methods described above, a plurality of genomic DNA fragments can be isolated and sequenced by immobilizing the genomic DNA fragments in individual sections of an individual support, such as a microarray. In this way, the genomic DNA fragment of interest can be fixed and sequenced with high throughput.

(亜硫酸水素塩処理および処理後の配列決定)
ゲノムDNA断片の配列決定に次いで、新たに合成されたDNA鎖とゲノムDNA断片からなる特異的ハイブリダイゼーション複合体は(例えば熱または塩基の変性により)変性され、新たに合成されたDNA鎖がゲノムDNA断片から分離される。個体支持体上のゲノムDNA断片は亜硫酸水素塩処理に供される。亜硫酸水素塩処理の実施法は当分野では公知であり、例えばHermanら(1996)の Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93:9821-9826に記載されている。ゲノムDNA断片の未保護(非メチル化)シトシンは、こうしてウラシルに変換される。ゲノムDNA断片は、次いで上述のような配列決定プロトコールに供される。得られた配列は亜硫酸水素塩処理前に得られた配列と比較され、配列決定プロトコールにより生成された新たに合成された鎖に、例えばグアニンの代わりにチミンが存在することに示されるように、ゲノムDNA断片中でウラシル残基に変換されたシトシン残基が同定される。変換された残基はゲノムDNA断片中の非メチル化状態を示すが、変換されなかった残基はゲノムDNA断片中の保護された、すなわちメチル化状態を示す。このようにして、ゲノムDNA断片のメチル化状態が決定される。
(Bisulfite treatment and sequencing after treatment)
Following sequencing of the genomic DNA fragment, the specific hybridization complex consisting of the newly synthesized DNA strand and the genomic DNA fragment is denatured (eg, by heat or base denaturation) and the newly synthesized DNA strand is Separated from DNA fragments. The genomic DNA fragment on the solid support is subjected to bisulfite treatment. Methods for performing bisulfite treatment are known in the art and are described, for example, in Herman et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 9821-9826. The unprotected (unmethylated) cytosine of the genomic DNA fragment is thus converted to uracil. The genomic DNA fragment is then subjected to a sequencing protocol as described above. The resulting sequence is compared with the sequence obtained prior to bisulfite treatment, as shown by the presence of thymine instead of guanine in the newly synthesized chain generated by the sequencing protocol, for example: A cytosine residue converted to a uracil residue in the genomic DNA fragment is identified. Residues that have been converted show an unmethylated state in the genomic DNA fragment, whereas residues that have not been converted show a protected, ie methylated state, in the genomic DNA fragment. In this way, the methylation state of the genomic DNA fragment is determined.

[a]DNA分子の直接的捕捉およびリアルタイムの配列決定
対象となる標的核酸分子を含むDNA(例えば、対象となるタンパク質コード領域を有するゲノムDNA)が、図1Bおよび図2Bに示すように適切な大きさに剪断される。対象となる領域の相補的オリゴヌクレオチドを収容する、例えばアレイ(図1Aに示す)またはビーズ(図2Aに示す)などの基材が使用される。対象となる領域は、例えばエキソンでありうる。剪断されたDNAからの該当領域を含む核酸が、オリゴヌクレオチドへのハイブリダイゼーションを通じて基材上で捕捉される。図1では、剪断されたDNAからの該当する領域を含む核酸が、オリゴヌクレオチドへのハイブリダイゼーションによりアレイ上で捕捉されている。図2では、剪断されたDNAからの該当する領域を含む核酸が、ビーズ上の溶液に捕捉されている。非結合DNAおよび非特異的結合DNAは洗い流される。図2Cでは、ビーズは、例えば規則的アレイまたは不規則的アレイなどの別の基材に載置される。捕捉されたDNAは、図1Cおよび図2Cに示すように、直接的配列決定に供される。これは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基とポリメラーゼの直接的モニタリングを可能にするオリゴヌクレオチドの自由3’末端(プライマーとして機能する)、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して得られる。
[a] Direct capture and real-time sequencing of DNA molecules DNA containing the target nucleic acid molecule of interest (eg, genomic DNA with the protein coding region of interest) is suitable as shown in FIGS. 1B and 2B Sheared to size. A substrate, such as an array (shown in FIG. 1A) or a bead (shown in FIG. 2A), containing a complementary oligonucleotide of the region of interest is used. The region of interest can be, for example, an exon. Nucleic acid containing the region of interest from the sheared DNA is captured on the substrate through hybridization to the oligonucleotide. In FIG. 1, nucleic acids containing the relevant regions from sheared DNA are captured on the array by hybridization to oligonucleotides. In FIG. 2, the nucleic acid containing the corresponding region from the sheared DNA is captured in the solution on the beads. Non-binding DNA and non-specific binding DNA are washed away. In FIG. 2C, the beads are placed on another substrate, such as a regular or irregular array. The captured DNA is subjected to direct sequencing as shown in FIGS. 1C and 2C. This is obtained using the free 3 ′ end of the oligonucleotide (acting as a primer), labeled polymerase and labeled dNTP that allow direct monitoring of the added base and polymerase during real-time DNA synthesis.

[b]RNA分子の直接的捕捉およびリアルタイムの配列決定
図3Bおよび4Bに示すように、ポリ-Aテールを含むRNAが使用されうる。ポリ-dTを含むオリゴヌクレオチドを含む、例えばアレイ(図3Aに示す)またはビーズ(図4Aに示す)などの基材も使用される。RNAは、図3Cおよび図4Cに示すように、ポリ-Aテールがポリ-dTを含むオリゴヌクレオチドにハイブリダイズすることを通じて基材に捕捉される。非結合RNAおよび非特異的結合RNAは洗い流され、捕捉されたRNAは、ポリ-dTの自由3’末端と逆転写酵素を使用してcDNAに変換される。RNAからcDNAへの変換後、cDNA配列が決定される。cDNA配列決定の一実施態様では、オリゴヌクレオチドアダプターが新たに合成されたcDNAの自由3’末端にライゲートされ、次いでプライマーがそのアダプターにアニールされる。cDNAは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基とポリメラーゼの直接的モニタリングを単分子レベルで可能にする当該プライマー、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して、配列決定される。あるいは、捕捉されたRNAは、リアルタイムのcDNA合成の間、付加された塩基とポリメラーゼの直接的モニタリングを単分子レベルで可能にする標識逆転写酵素および標識dNTPを使用して、直接的に配列決定されうる。(図3C及び4Cを参照されたい。)
[b] Direct capture and real-time sequencing of RNA molecules RNA containing poly-A tails can be used, as shown in FIGS. 3B and 4B. Substrates such as, for example, arrays (shown in FIG. 3A) or beads (shown in FIG. 4A) comprising oligonucleotides comprising poly-dT are also used. RNA is captured on the substrate through hybridization of a poly-A tail to an oligonucleotide containing poly-dT, as shown in FIGS. 3C and 4C. Unbound RNA and non-specifically bound RNA are washed away and the captured RNA is converted to cDNA using the free 3 ′ end of poly-dT and reverse transcriptase. After conversion from RNA to cDNA, the cDNA sequence is determined. In one embodiment of cDNA sequencing, an oligonucleotide adapter is ligated to the free 3 ′ end of the newly synthesized cDNA, and then a primer is annealed to the adapter. The cDNA is sequenced using the primer, labeled polymerase and labeled dNTP, which allows direct monitoring of added base and polymerase at the single molecule level during real-time DNA synthesis. Alternatively, the captured RNA can be sequenced directly using labeled reverse transcriptase and labeled dNTPs that allow direct monitoring of added bases and polymerases at the single molecule level during real-time cDNA synthesis. Can be done. (See Figures 3C and 4C.)

[c]同一鋳型の再帰的配列決定によるメチル化状態決定
DNA(例えばゲノムDNA)のメチル化状態を決定するため、最初にDNAは適切な大きさに剪断され、好ましくは図5Bおよび図6Bに示すように一本鎖に変換される。メチル化オリゴヌクレオチド(すなわちメチルシトシンを含むオリゴヌクレオチド)を含む、例えばアレイ(図5Aに示す)またはビーズ(図6Aに示す)などの基材が使用される。剪断されたDNAは、図5Cおよび図6Cに示すように、メチル化オリゴヌクレオチドにライゲートされる。ライゲートされたDNAは、次いでリアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基とポリメラーゼの直接的モニタリングを単分子レベルで可能にする、アレイまたはビーズ上のメチル化オリゴヌクレオチドの相補的プライマー、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して、配列決定される。ライゲートされたDNAの配列決定後、図5Dおよび図6Dに示すように、新たに合成された鎖は除去され、もとのDNAはメチル化シトシンのウラシル変換が可能になるように亜硫酸水素塩で処理される。処理されたDNAは、リアルタイムのDNA合成の間、付加された塩基とポリメラーゼの直接的モニタリングを単分子レベルで可能にするプライマー、標識ポリメラーゼおよび標識dNTPを使用して、配列決定される。同一分子から得られた亜硫酸水素塩処理前と後の配列を比較することで、DNAのメチル化状態が決定できる。
[c] Methylation status determination by recursive sequencing of the same template To determine the methylation status of DNA (eg genomic DNA), the DNA is first sheared to the appropriate size, preferably as shown in FIGS. 5B and 6B. Converted to single strand as shown. Substrates such as arrays (shown in FIG. 5A) or beads (shown in FIG. 6A) are used, including methylated oligonucleotides (ie, oligonucleotides containing methylcytosine). Sheared DNA is ligated to a methylated oligonucleotide as shown in FIGS. 5C and 6C. The ligated DNA then has complementary primers for the methylated oligonucleotides on the array or bead, labeled polymerase, and direct monitoring of the added base and polymerase at the unimolecular level during real-time DNA synthesis. Sequencing is performed using labeled dNTPs. After sequencing the ligated DNA, the newly synthesized strand is removed and the original DNA is bisulphite so that uracil conversion of methylated cytosine is possible, as shown in FIGS. 5D and 6D. It is processed. The treated DNA is sequenced using primers, labeled polymerase and labeled dNTP that allow direct monitoring of added bases and polymerase at the unimolecular level during real-time DNA synthesis. By comparing sequences before and after bisulfite treatment obtained from the same molecule, the methylation state of DNA can be determined.

本明細書内で引用されるすべての特許および刊行物は参照により組み込まれる。   All patents and publications cited within this specification are incorporated by reference.

Claims (16)

標的核酸分子を捕捉し配列決定する方法であって、
(a)個体支持体を、ハイブリダイズ条件下で標的核酸分子を含んでなる核酸の混合物に曝露し、ここで標的核酸分子はプライミング能力のある構造で個体支持体に固定されたプライマーと特異的ハイブリダイゼーション複合体を形成し、
(b)個体支持体から非結合核酸および非特異的結合核酸を分離し、
(c)個体支持体を重合条件下でポリメラーゼおよびヌクレオチドに曝露し、
(d)標的核酸分子の核酸配列を、標的核酸分子を鋳型として使用するポリメラーゼによる核酸重合を固定されたプライマーから検出することにより決定することを含む、方法。
A method for capturing and sequencing a target nucleic acid molecule comprising:
(A) exposing an individual support to a mixture of nucleic acids comprising a target nucleic acid molecule under hybridizing conditions, wherein the target nucleic acid molecule is specific to a primer immobilized on the individual support in a priming capable structure Forming a hybridization complex,
(B) separating non-binding nucleic acid and non-specific binding nucleic acid from the solid support,
(C) exposing the solid support to a polymerase and nucleotides under polymerization conditions;
(D) determining the nucleic acid sequence of the target nucleic acid molecule by detecting nucleic acid polymerization by a polymerase using the target nucleic acid molecule as a template from immobilized primers.
標的核酸分子がゲノムDNA領域に由来する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the target nucleic acid molecule is derived from a genomic DNA region. 標的核酸分子がエキソンをすべてまたは部分的に含む、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the target nucleic acid molecule comprises all or part of an exon. 標的核酸分子がRNAであり、ポリメラーゼが逆転写酵素であり、プライマーが3’ポリ-T配列を含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the target nucleic acid molecule is RNA, the polymerase is reverse transcriptase, and the primer comprises a 3 'poly-T sequence. 標的核酸分子がDNAであり、ポリメラーゼがDNAポリメラーゼである請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the target nucleic acid molecule is DNA and the polymerase is a DNA polymerase. ヌクレオチドが末端のリン酸に標識されている請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the nucleotide is labeled to a terminal phosphate. ポリメラーゼがFRETドナーで標識されており、ヌクレオチドがFRETアクセプターで標識されている請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, wherein the polymerase is labeled with a FRET donor and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor. FRETドナーが蛍光ナノ粒子である請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein the FRET donor is a fluorescent nanoparticle. ゲノムDNA断片のメチル化状態を決定する方法であって、
(a)ゲノムDNA断片を個体支持体に固定し、
(b)個体支持体に固定されたゲノムDNA断片の核酸配列を、固定されたゲノムDNA断片を鋳型として使用するポリメラーゼによる核酸重合を検出することにより決定し、
(c)固定されたゲノムDNA断片を亜硫酸水素塩処理に供し、
(d)固定された亜硫酸水素塩処理されたゲノムDNA断片の核酸配列を、固定された亜硫酸水素塩処理されたゲノムDNA断片を鋳型として使用するポリメラーゼによる核酸重合を検出することにより決定し、
(e)(b)で決定された核酸配列を(d)で決定された配列と比較し、ここでゲノムDNA断片中のシトシン残基の変換は該残基が亜硫酸水素塩処理前はメチル化されていなかったことを示し、ゲノムDNA断片中のシトシン残基が変換されないことは該残基が亜硫酸水素塩処理前にメチル化されていたことを示す、方法。
A method for determining the methylation status of a genomic DNA fragment comprising:
(A) fixing a genomic DNA fragment to an individual support;
(B) determining the nucleic acid sequence of a genomic DNA fragment immobilized on an individual support by detecting nucleic acid polymerization by a polymerase using the immobilized genomic DNA fragment as a template;
(C) subjecting the fixed genomic DNA fragment to bisulfite treatment;
(D) determining the nucleic acid sequence of the immobilized bisulfite-treated genomic DNA fragment by detecting nucleic acid polymerization by a polymerase using the immobilized bisulfite-treated genomic DNA fragment as a template;
(E) comparing the nucleic acid sequence determined in (b) with the sequence determined in (d), where the conversion of cytosine residues in the genomic DNA fragment is methylated prior to bisulfite treatment A method wherein the cytosine residue in the genomic DNA fragment is not converted, indicating that the residue was methylated prior to bisulfite treatment.
ゲノムDNA断片が個体支持体にアダプターによって固定される請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the genomic DNA fragment is fixed to the individual support by an adapter. アダプターがプライマー結合部位を含み、プライマー結合部位中のシトシンが保護される請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, wherein the adapter comprises a primer binding site and cytosine in the primer binding site is protected. (b)および/または(d)のポリメラーゼが、プライマー結合部位にアニールされたプライマーから核酸鎖を重合する請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein the polymerase of (b) and / or (d) polymerizes the nucleic acid strand from a primer annealed to the primer binding site. (b)および/または(d)の核酸重合が、標識ヌクレオチドの取り込みを検出することにより検出される請求項9に記載の方法。   10. The method of claim 9, wherein the nucleic acid polymerization of (b) and / or (d) is detected by detecting the incorporation of labeled nucleotides. 標識ヌクレオチドが末端のリン酸に標識されている請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the labeled nucleotide is labeled with a terminal phosphate. (b)および/または(d)のポリメラーゼがFRETドナーで標識されており、ヌクレオチドがFRETアクセプターで標識されている請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein the polymerase of (b) and / or (d) is labeled with a FRET donor and the nucleotide is labeled with a FRET acceptor. FRETドナーが蛍光ナノ粒子である請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the FRET donor is a fluorescent nanoparticle.
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